中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員李祥龍一直致力于儲能雜化材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程、構(gòu)效關(guān)系及應(yīng)用探索，包括鋰離子及鋰金屬電池。最近，由葉脈獲得啟示，李祥龍及其團(tuán)隊(duì)提出一種宿主空間調(diào)制策略，采用木頭碳化和化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備出一類具有自支撐三維結(jié)構(gòu)的碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)均勻覆蓋的低迂曲度碳質(zhì)微溝道垂直陣列(CTC)，用于鋰金屬復(fù)合負(fù)極。該三維宿主材料模仿葉脈中的“協(xié)作分工”，一方面，低迂曲度碳質(zhì)微溝道不僅可容納充放電過程中的體積變化，還提供長程范圍內(nèi)鋰離子的均勻、直接和快速輸運(yùn)通道;另一方面，均勻覆蓋的碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)通過強(qiáng)的毛細(xì)作用提高電解液親和力，從而作為局部儲液池，促進(jìn)鋰離子在短程范圍內(nèi)的均勻分布和沉積。

基于碳質(zhì)微溝道和碳納米纖維的空間協(xié)同及鋰離子輸運(yùn)和分布的分工協(xié)作，CTC可承受極端的面負(fù)載和面電流密度，在不同高面負(fù)載和高電流密度下(分別高達(dá)40 mAh/cm2和40 mA/cm2)表現(xiàn)出高的鋰沉積效率及循環(huán)穩(wěn)定性，且兼具高安全特征。比如，其在電流密度為10 mA/cm2和面容量為30 mAh/cm2的極端苛刻條件下可以以很低的極化、無枝晶、穩(wěn)定地循環(huán)1080圈以上，基于CTC和鈷酸鋰正極組裝的全電池在商業(yè)水平的負(fù)載條件下(3.4 mAh/cm2)循環(huán)200圈后容量保持率仍高達(dá)86%(400圈為79%)。上述研究為高性能鋰及其他金屬負(fù)極的設(shè)計(jì)、構(gòu)建及應(yīng)用提供了一種新思路和新途徑。

該項(xiàng)工作以Spatially Hierarchical Carbon Enables Superior Long-Term Cycling of Ultrahigh Areal Capacity Lithium Metal Anodes為題于2月11日發(fā)表在Matter上。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、中科院等的支持。

碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)均勻覆蓋的低迂曲度碳質(zhì)微溝道垂直陣列的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、制備及性能